基于社群架构的无线传感器网络汇集系统

孙领弟，孙占威

（1.河北工程技术高等专科学校 计算机基础教研室，沧州 061001；2.北京天奈科技有限公司，北京 100023）

0 引言

无线传感器网络的规模取决于传感器的数量与分布范围，由于目前传感器已经迈向低成本、低耗电、体积小、分布容易、具有传感环境功能等特性，因此已经达到可以大量分布传感器的目的[1]。然而，传感器大量分布所伴随而来的问题，就是缺乏有效的传感数据汇集以及信息处理显示的方法与架构。传感器多以识别码代表(ID)，传感后所传送出的数据也多是未经处理的信息(raw data)，不仅重复性高，而且使用者也无法直观得去判读这些数据，甚至大量的数据挤在一起，容易模糊焦点，影响判读的速度。因此，我们针对无线传感器网络设计了的一个高效率的数据汇流架构，其中需要用到的技术准则是采用开放式地理信息系统协会(OGC)所制定的相关标准[2]。为了获知传感器的传感信息、空间与位置概念、以及传感器的属性信息，OGC订定了一套叫做传感网络赋能 (SWE)协定。在SWE协定中，定义了传感数据语言(SensorML)来规格化各种传感器的传感内容、测量单位以及其传感器规格，而GPS坐标数据，就可以看成是一个传感器所获得的信息，利用我们刚刚所讲的这些规格，可以方便的将室内室外的位置服务整合在一起，提供更完善的应用。

1 数据汇集系统与社群架构

图1 数据流向与汇集系统架构图

图2 WASP架构示意图

我们所提出的运作架构如图1所示，无线传感器网络中的传感点所传出来的信息，不论是存储成一个KML档案，或是即时的将这些数据上传到一个网络服务平台，都可以根据OGC的SWE协定来描述这个数据坐标值，同时纪录相关的数据。通过服务导向架构(SOA)与Web Services架构来建立传感网络的管理、控制、和数据存取系统。不论是传感网络所测得的数据或是已经存储并处理好的数据(如气象观测数据、国道交通路况等等)，都可利用Web2.0设计概念与相关技术(如Web API)构建出对应的传感器信息汇集系统。

WASP的架构如图2(a)、(b)所示，其中实线代表传感器内部的连线(如Zigbee[23]等技术)，而虚线则是代表一般的互联网连线。WASP系统架构最主要的元件是平台软体服务区域(WCSSA)，通常WASP架构内会有一个WCSSA，WCSSA为若干个相关伺服器节点的集合，WCSSA提供绝大部分的WASP基础服务与应用服务相关元件的计算资源。一个WCSSA通常包含：

1）WASP MySensor Community Portal Server (WASP MSC)：MSC为一入口网站服务器。此服务器是平台使用者存取WASP 资源的最主要管道。

2）WASP Application Service Agent Provider (WASP ASAP)：ASAP为一无使用者接口的应用程式服务器。此服务器会安装多种不同的应用服务代理元件，进行WSN原始传感数据的加值包装与转换作业，并公开这些代理元件的网络服务接口。

3）WASP Central Data Service Provider for each WASP Partner (WASP CDSP)：CDSP也为一无使用者接口的应用程式服务器兼数据库服务器。在WCSSA中，每一个WASP Partner都会配置各自的WASP CDSP，其用途主要有以下两种：

图3 感测资料汇集系统详细元件

（1）存储WSN传感数据并提供与Partner本地端的WSN Gateway进行定期的数据转换作业。

（2）提供传感数据存取服务接口给ASAP，协助ASAP上的应用服务代理元件定期获取CDSP管理的传感数据。

图4 WASP与社群网络结合的架构图

WASP最主要的运作目标在于提供使用者各种不同的呈现方式来展示WSN传感数据。在WASP发展中后期，WASP将开始陆续引入各种WSN 事件提示功能与远端控制功能，促使平台除了具备数据呈现的核心功能外，也能发挥WSN技术的远端控制效益。另一方面，关于传感器信息汇集系统的详细构成元件，架构设计图如图3所示[3]。其元件有：

1）传感器模式语言(Sensor Model Language)

2）观察与测量(Observations & Measurements)

3）传感器数据观察收集服务(Sensor Observation Service)

4）传感器规划服务(Sensor Planning Service)

5）网页通告服务(Web Notification Service)

6）传感器警告服务(Sensor Alert Service)

采用这个架构的主要优点是可以参与相关国际标准的制定，并且可以建立以网页为主要接口的SOA服务平台来显示与查询传感器所收集的信息，并且鼓励其它使用者利用这些开放标准接口去开发各种可能的服务。目前我们正积极参与发展相关计划，目标是因应中国的环境和文化，并结合产学界既有的能力，来制定关于传感数据的相关开放规格，并利用此规格加入并影响OGC协会的SWE国际标准。目前我们已经针对无线传感器网络社群(称为MySensor)，提供了包括MySensor Data Aggregator与MySensor等软硬件架构规格，并进一步与社群网络的结合，提出了下列架构(如图4所示)，而各部分讯息的传送流程设计如图5所示[4]。

本平台以群播的方式，将数据汇总并传送，并且通过社群网络和移动通信系统，快速地将数据呈现给使用者，以多元的方式整合。无线传感器网络社群创新平台以SOA的概念进行架构规划，并默认采用Web Services这个标准技术做为分散式网络计算的基础。不论这些软件采用何种技术进行开发，只要对外的部分最终皆提供以Web服务技术所公开的网络服务接口，则本平台的所有信息或是基础服务，都可以有效地完成互动与整合。

2 架构目标

2.1 落实Web 2.0的概念

为实现让不同信息系统间可以直接通过Internet网络连接的特性，我们采用SOA的概念来规划无线传感器网络社群创新平台。无线传感器网络社群创新平台的平台基础服务群就是由多个独立的服务提供者及一个具备协调及整合能力的平台服务协调器(也是服务提供者)所组成的软件服务集合；这个集合是无线传感器网络社群创新平台实现Web 2.0的最重要核心。此外，我们的规划也引入其中一个重要的概念：标签(Tag)。在无线传感器网络社群创新平台中，别名索引标签(Alias Index Tag)就是借用标签的概念所设计出来的别名辨识系统。由于传感器多以ID表示，使用者实难记住这些ID及其代表的意义，加入别名辨识系统，则可方便使用者判读这些传感器所传回的数据，例如原本传回数据为(ID: 56712345, 23)让使用者不知数据意义，经处理后变成(温度传感器_51的402_1, 23度)，这样就方便判读了。

图5 感测资料信息流架构图

2.2 多元的数据存储选项

1）无线传感器网络社群创新平台是一个以搜集与提供多元应用数据为主要目标的系统平台。在这个平台内，每个汇集节点可将传感数据采用下述的三种方式管理存储：

2）集中式数据管理：存储于此的数据会由无线传感器网络社群创新平台集中代管。

3）特定式数据管理：数据会由参与无线传感器网络社群创新平台的特定单位或组织(例如：气象局、环保署等等)个别进行管理。

4）闸道式数据管理：是指将数据存储在本身便具备存储能力的闸道器装置中，数据会由闸道器拥有人进行管理。

2.3 提供可由使用者共同发展应用服务的可延伸式应用服务集合

无线传感器网络社群创新平台允许平台使用者自行开发应用服务并注册给无线传感器网络社群创新平台内。只要应用服务建立者正确地公开其应用服务的Internet存取位置，经授权的平台使用者就都可以顺利地使用该应用服务。通过这样的机制，本平台的应用服务集合便可快速且多样的成长，并有效促进不同类型数据的间的互动与整合应用。

2.4 提供多元混搭应用的数据基础

无线传感器网络社群创新平台所存储与管理的庞大数据，皆会通过闸道器安装在数据服务提供者上的原始数据存取服务套件(Generic Data Access Service Package)来提供最基本的软件存取功能，包括新增、删除或查询数据等，因此原始数据存取服务套件可说是本平台最重要的数据服务基础。本平台是通过经包装过的应用服务来提供服务给平台使用者，每个应用服务都会有各自的应用服务存取套件(Application Service Access Package)来提供软件存取的功能。

3 结论

本文提出了利用所设计的WASP平台来开发无线传感器网络数据汇集系统与社群架构，以高扩展性与高效率为研究目标，提升无线传感器网络数据汇流与查询效率，并且利用社群网络能快速有效的将整理过的信息呈现给使用者。无线传感器网络社群创新平台以SOA的概念进行架构规划，不论是平台基础服务群的个别服务提供者或存取服务套件均可自由采用合适的技术平台进行开发。所以只要对外的部分最终都提供以Web Services技术所公开的网络服务接口，则本平台的所有信息或是基础服务就都可以有效地完成互动与整合。

[1] 李彬, 王文杰, 等.无线传感器网络节点协作的节能路由传输[J].西安交通大学学报, 2012, 46(6): 108-114.

[2] 何杰, 刘兰军, 王泌.传感器网络中结合SOM与免疫克隆选择的分簇路由策略[J].小型微型计算机系统, 2012,33(3): 433-441.

[3] 涂志亮, 王强, 等.移动传感器网络中目标跟踪与监测的同步优化[J].自动化学报, 2012, 38(3): 452-461.

[4] 沈波, 张世永, 钟义平.无线传感器网络分簇路由协议[J].软件学报, 2006, 17(7): 1588-1600.